用于测量扭矩的装置及包括这样的装置的应变波齿轮机构的制作方法

1.本发明涉及用于测量机器人的应变波齿轮机构中出现的扭矩的装置。具体地，该装置用于机器人关节。本发明还涉及应变波齿轮机构。


背景技术：

2.根据de102010029186a1，已知用于确定作用在轴上的扭矩的测量装置，其中，该测量装置包括第一装置和第二装置。装置各自被设计成生成与扭矩相关联的模拟电信号。借助于下游模数转换器和下游数字评估装置来确定两个独立的扭矩。装置由应用于机械测量体的应变仪组成。
3.de102014210379b4描述了用于测量在关节手臂机器人的关节处或关节中出现的扭矩的扭矩传感器和方法。传感器包括多个测量辐条，这些测量辐条被设计成使得其在扭矩的作用下变形。传感器还包括被布置在测量辐条上的应变仪。
4.de102012208492a1描述了用于在机器元件的表面上建立应变仪结构的方法。将具有覆盖保护层的变形敏感测量层施加到表面上。通过激光处理局部地去除保护层，并且电接触暴露的测量层。此外，从该公开可以得知，可以在机器元件的表面与测量层之间布置绝缘层。
5.de102014219737a1描述了用于测量施加到可旋转安装部件上的扭矩的装置。载体部件被布置在可旋转安装部件上，在可旋转安装部件上施加有变形敏感材料作为涂层。变形敏感材料形成扭矩测量结构。
6.根据de10317304a1，已知用于确定电动机的输出扭矩的方法和装置。带有环形齿轮的齿轮被布置在电动机下游。借助于扭矩传感器测量动态马达扭矩，该扭矩传感器被支承在环形齿轮上的固定位置。
7.de102013204924a1描述了用于确定作用在轴上的扭矩的结构。具体地，该结构是车辆的转向柱的一部分。该结构包括方向盘的侧部上的第一转向轴部分、转向齿轮的侧部上的第二转向轴部分以及连接转向轴部分的扭转部分。此外，该结构包括用于扭矩测量的直接涂层，该直接涂层具有应变仪。
8.现有技术表明，为了测量作用在轴上的扭矩，使用了其中应变仪被应用在轴的外部或轴上的测量结构。
9.对于机器人齿轮机构，精确地确定由应变波齿轮机构传递的扭矩是非常重要的。例如，在医疗技术以及其他应用中，机器人手臂用作人类的假体，其中机器人手臂必须在操作期间以不同的速度以及在不同的负载下执行精确的机械运动和总体机械运动。这同样适用于工业机器人。
10.在其他应用中，应变波齿轮机构被用作机器人中的轮轴驱动器、机动车辆中的轮轴驱动器、机床中的轮轴驱动器和印刷机的驱动器中的轮轴驱动器。扭矩传递应变波齿轮机构也被称为谐波驱动器或谐波齿轮机构。应变波齿轮机构通常包括输入轴、椭圆盘、柔性花键、外环、输入轴和壳体。柔性花键是外部带齿的，而外环是内部带齿的，其中两个部件彼
此同轴地布置，使得齿彼此啮合。
11.已知用于机器人手臂中的扭矩测量的装置，装置被安装在机器人手臂的齿轮壳体外部。例如，其上布置有应变仪的变形体被布置在机器人手臂的区域中，具体地被布置在机器人关节的区域中。使用应变仪，记录剪切应变以确定在机器人关节处施加的扭矩。


技术实现要素：

12.基于现有技术，本发明的目的是提供改进的扭矩测量装置，该改进的扭矩测量装置被设计成节省空间，同时提供高水平的精度和鲁棒性。
13.所述目的通过根据所附权利要求1所述的用于测量扭矩的装置来实现。此外，该目的通过根据权利要求9所述的应变波齿轮机构来实现。
14.根据本发明的装置用于测量应变波齿轮机构的扭矩。扭矩测量装置包括部件和多个层，所述多个层上下依次布置在部件上并且是应变仪的直接涂层的一部分。电绝缘的绝缘层被直接布置在部件上。变形敏感测量层被直接布置在绝缘层上。
15.该部件是机器人系统的一部分，具体地是应变波齿轮机构的一部分。支承多个层的部件是柔性花键。
16.根据本发明的装置的一个优点是，该装置被设计成节省空间，因为不需要仅用于测量扭矩的另外的变形体。该装置的另一优点是，其能够在操作期间实现高准确性和高精确度并且非常鲁棒。
17.该部件优选地由金属制成。可替选地，该部件由半导体材料制成。柔性花键在其外半径上具有齿。例如，该部件可以是圆柱形钢套筒，该圆柱形钢套筒在期望的限度内是柔性的。
18.在优选实施方式中，给变形敏感测量层施加保护层，该保护层保护位于保护层下面的层免受环境影响。保护层优选地由有机材料制成。可替选地，保护层优选地由无机材料制成。
19.测量层用于测量部件的应变或剪切，其中，测量扭矩。
20.测量层优选地由金属或合金(特别地，镍合金)组成。镍合金优选为镍铬合金(nicr)。
21.测量层优选地具有构造。特别优选地，测量层具有形成条纹图案的空间构造。不同的实施方式可以例如具有相对于部件纵向轴线在35
°
与55
°
之间的角度范围内的条纹。优选地，借助于激光或通过蚀刻来创建该构造，其中，仅在测量层已经被施加到部件上之后才创建该构造。
22.绝缘层优选地由一种或更多种不同的氧化物组成。可替选地，绝缘层由类金刚石碳(dlc)组成。可替选地，绝缘层可以由一种或更多种氧化物和dlc组成。绝缘层特别优选地由al2o3(铝氧化物)和/或sio2(硅灰石)组成。
23.例如，绝缘层可以通过物理气相沉积工艺(pvd)或化学辅助物理气相沉积工艺(pacvd)产生。在一个实施方式中，绝缘层通过pvd工艺与pacvd工艺的组合产生。
24.优选地，施加到部件上的由测量层、绝缘层和保护层组成的层的序列具有小于200μm的总厚度。特别优选地，包括测量层和绝缘层的层的序列具有小于20μm的总厚度
25.优选地，可以在部件上布置另外的元件。在一个实施方式中，在部件上布置用于信
号预放大和/或用于信号评估和/或用于信号传输的电子组件。
26.在一个实施方式中，在条纹部分之间形成至少部分地接触的导电接触层。
27.根据本发明的应变波齿轮机构包括根据上述装置及其所有实施方式的用于测量扭矩的装置。此外，应变波齿轮机构包括驱动轴、波生成器、环形齿轮机构和弹性套筒，该波生成器可以是具有非圆形(例如椭圆形)内环和可变形外环的滚动轴承，该弹性套筒被称为柔性花键。该装置的后面的部件展示了外齿，以及环形齿轮机构展示了内齿。柔性花键和环形齿轮机构被彼此同轴地布置，使得齿轮机构齿彼此啮合。波生成器的内环被定位在驱动轴上，使得该内环驱动部件。
28.应变波齿轮机构优选地还具有壳体，前述传动装置部件被至少部分地布置在该壳体中。
29.根据本发明的应变波齿轮机构有利地节省了安装空间，因为该装置及其涂层被布置在壳体内，并且不需要另外的变形体。由于该装置通过精确测量扭矩而提供的高精度，该装置和应变波齿轮机构适用于机器人领域并且在该领域特别有利。具体地，该装置和应变波齿轮机构在防止碰撞或调节力和刚度方面是有利的。
附图说明
30.本发明的其他优点和细节从以下参照附图对优选实施方式的描述中得出。在附图中：
31.图1示出了根据本发明的装置的第一实施方式的侧视图和详细视图；
32.图2示出了图1中所示的装置的截面视图和详细视图；
33.图3示出了装置的第二实施方式的平面视图；
34.图4示出了图3中所示的装置的侧视图；
35.图5示出了图4中所示的装置的侧视图的截面视图和详细视图。
具体实施方式
36.图1示出了根据本发明的装置的第一实施方式的侧视图和详细视图。该装置呈现了能够用于应变波齿轮机构的柔性花键，其中，柔性花键由盘01和轴向邻接该盘的圆柱形部件02组成。优选地，柔性花键由钢制成。圆柱形部件02或套筒被布置在盘01的内径上。圆柱形部件02在其朝向背离盘01的部分上具有外齿03。应变仪形式的，具体地，sensotect应变仪形式的变形敏感测量层04被布置在圆柱形部件02的朝向盘01的外圆周的部分上。在圆柱形部件02的基础材料与变形敏感测量层04之间形成绝缘的绝缘层06。借助于变形敏感测量层04来确定应变波齿轮机构的扭矩。测量层优选地具有形成条纹图案的构造。
37.此外，图1中示出了变形敏感测量层04的详细视图。在所示示例中，测量层04的成形结构以多种弯曲方式延伸，该结构的非弯曲部分的轴线向部件02的圆柱体轴线倾斜。
38.根据本发明的装置的优点之一是该装置被设计成节省安装空间。
39.图2示出了图1中所示的具有盘01和圆柱形部件02的柔性花键的截面视图。在图2的详细视图中，示出了装置的层的序列。在由钢制成的圆柱形部件02上施加绝缘层06，在该绝缘层上施加变形敏感测量层04和布置在变形敏感测量层上的保护层07。变形敏感测量层04是结构化的nicr功能层。
40.图3示出了装置的未要求保护的实施方式的平面视图。与图1中所示的装置不同，此处，盘01具有变形敏感测量层04。在圆柱形部件02的外圆周上没有形成变形敏感测量层。变形敏感测量层04的各个部件沿圆周分布在盘01上。该装置在此处被设计为轴环套筒。
41.图4示出了图3中所示的轴环套筒的侧视图。因为变形敏感测量层04形成在盘01上，所以圆柱形部件02的外圆周上的测量层缺失。在圆柱形部件02的朝向背离盘01的区域中，齿03也形成在外圆周上。
42.图5示出了图4中所示的装置的侧视图的截面视图。此外，图5示出了盘01的层的序列的详细视图。优选地由al2o3组成的绝缘层06被布置在钢盘01上。上面设置有保护层07的变形敏感测量层04被布置在绝缘层06上。用于进行电接触的接触层08位于各个变形敏感测量层04之间。
43.附图标记列表
44.01盘02圆柱形部件03外齿04变形敏感测量层05
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06绝缘层07保护层08接触层。